PID飞行体的控制系统设计(2)
1.2 飞行控制系统的现状 20世纪80年代后半期，美德联合研制了大迎角超机动飞行体x-3l，飞行控制律设计的基本方法是最优控制方法[7]。F/A-22XCYF-22飞行控制律进行了重新设计，经典控制与特征结构配置相结合，重新设计的飞行控制律在所有的闭环子回路控制中都达到一级飞行品质。F-35 Joint Strike Fighter(JSF)直接将飞行品质映射成飞行控制律，使用了非线性动态逆的设计控制器。波音公司x-36原型机的飞行控制系统使用神经网络/动态逆设计，在线神经网络自适应地消除逆误差，使得存在不确定性、出现故障或损坏时能够提供优良的操纵品质[8]。近年来，使用多变量控制技术已经成为国外新飞行体的设计标准，动态逆的方法是其中应用最广泛的多变量设计方法之一[9]。经典控制方法对于高度非线性和复杂的系统，或当内部参数发生变化或外部发生严重扰动时，很难满足现代飞行体高性能和机动性的需求。因此，就必须寻找和研究能够满足越来越复杂的飞行控制系统要求的现代控制理论设计方法。应用飞行控制方面的先进理论和方法层出不穷，国内外研究比较多的主要有以下几类。
1.2.1 线性二次型最优控制 最优控制采用数学上准确的性能指标描述系统的性能规范，从这个性能指标出发，求得系统的控制增益，相当于同时闭合了多个控制回路并使各控制回路的性能自动地协调。最优二次型控制是最优控制应用于飞行控制系统设计较早和较成熟的一种方法，包括输出反馈的最优二次型、显模型跟踪及隐模型跟踪等。20世纪70年代，美国F-8C主动控制技术飞行体控制律设计采用显模型跟踪最优二次型方法[10]；80年代初，日本以T2教练机为原型机，改装完成了T2CCV技术验证，具有优良的飞行品质。最优控制理论要求精确已知系统的数学模型，不考虑模型误差以及外界干扰的影响[11-12]。但工程实现中这些不确定性因素的存在是不可避免的文献综述。因此，最优控制应用于飞行控制系统设计时，必须考虑鲁棒性等问题[13]。频域加权法是解决最优二次型设计鲁棒性问题的一种方法[14]。由于很难将全部设计因素考虑在内，因此与经典控制理论相结合，是工程应用最优控制方法较为成功的途径。
1.2.2 非线性动态逆控制 反馈线性化方法是非线性控制理论中发展比较成熟的一种控制设计方法[15]。对于飞行控制系统，动态逆是研究最广泛的反馈线性化方法，在大迎角超机动飞行体、先进短距起降飞行体，直升机以及无人机等飞行控制系统中得到成功应用。动态逆算法能够有效地实现非线性对象的线性化和通道间解耦。但是，动态逆的控制成功应用的前提是系统可以被精确描述，所受的干扰能在扰动前被精确建模[16-17]。飞行体的气动力参数随高度和马赫数变化，系统的结构也存在着各种不确定性，这就需要考虑动态逆的设计的鲁棒性问题[18]。对于动态逆飞行控制系统，逆误差会导致控制效果急剧恶化，需要与其他控制策略相结合来增强整个控制系统的鲁棒性[19]，可采用自适应调节器进行动态补偿。文献[20]讲述了动态逆的理论和设计鲁棒动态逆控制器，文献[21]采用PID结合非线性动态逆理论，取得了较好的控制效果。